ماده تاریک یکی از بزرگترین رازهای حل نشده در فیزیک مدرن است. ستاره شناسان بسیار مطمئن هستند که وجود دارد و تخمین می زنند که حدود یک چهارم از کل انرژی جهان را تشکیل می دهد، اما دانشمندان هنوز نمی دانند که از چه چیزی ساخته شده است.
دو احتمال پیشرو، ذرات فرضی هستند که به عنوان شناخته می شوند فوق سبک اقدامات و فوتون های تاریک. در محدوده جرمی که محققان مطالعه کردند، این ذرات بسیار سبک خواهند بود، تقریباً 19 تا 21 مرتبه سبکتر از یک الکترون.
تبدیل زمین به یک آشکارساز ماده تاریک غول پیکر
بسیاری از آزمایش‌های سنتی آکسیون تلاش می‌کنند تا آکسیون‌ها را با قرار دادن آنها در معرض میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی در آزمایشگاه‌ها به فوتون تبدیل کنند. چالش مقیاس است. حتی آهنرباهای آزمایشگاهی قدرتمند فقط می توانند یک منطقه نسبتا کوچک را پوشش دهند.
محققان دانشگاه کیوتو، دانشگاه هیروشیما و دانشگاه نیهون راهی برای رفع این محدودیت دیدند. آنها به جای تکیه صرف بر تجهیزات آزمایشگاهی، پرسیدند که آیا می توان از محیط مغناطیسی زمین به عنوان بخشی از آزمایش استفاده کرد.
آتسوشی تارویا، نویسنده مربوطه می‌گوید: «ما فکر می‌کردیم که آیا می‌توانیم از خود زمین به‌عنوان یک آشکارساز غول‌پیکر در جستجو استفاده کنیم. حفره زمین-یونوسفر به عنوان یک تشدید کننده طبیعی عمل می کند که امواج الکترومغناطیسی را درست در اطراف محدوده جرمی که ما می خواستیم مطالعه کنیم، تقویت می کند.
منطقه بین سطح زمین و یونوسفر به طور طبیعی می تواند با امواج الکترومغناطیسی تشدید شود، بسیار شبیه به یک حفره بزرگ. این امر آن را به ویژه برای جستجوی سیگنال‌های مرتبط با ذرات فوق‌سبک که تیم می‌خواست مطالعه کند، مفید کرد.
گسترش جستجو به فرکانس های بالاتر
یکی از موانع این بود که نظریه قبلی فقط می توانست فرکانس های زیر 1 هرتز را به طور قابل اعتماد توصیف کند. این باعث شد که بسیاری از محدوده فرکانس مفید بالقوه کشف نشده باقی بماند.
برای حل این مشکل، محققان چارچوب نظری جدیدی ایجاد کردند که رسانایی الکتریکی جو را در بر می گیرد. محاسبات آنها نشان داد که حفره زمین-یونوسفر می تواند سیگنال های نزدیک به 8 هرتز را تقویت کند و به آنها امکان پیش بینی های قابل اعتماد تا حدود 30 هرتز را می دهد.
این مدل همچنین تفاوت مهمی را بین دو نامزد ماده تاریک پیش‌بینی می‌کند. سیگنال های تولید شده توسط اکسیون ها باید بسته به مکان متفاوت باشد و قوی ترین آنها در آسیای جنوب شرقی انتظار می رود. سیگنال‌های فوتون تاریک، در مقابل، باید با همان قدرت در سراسر جهان ظاهر شوند.
یک دهه داده های مغناطیسی آزمایش شده است
با استفاده از این چارچوب، این تیم تقریباً 10 سال اندازه‌گیری‌های ژئومغناطیسی را که بین سال‌های 2012 تا 2022 توسط رصدخانه اسکدالمویر سازمان زمین‌شناسی بریتانیا جمع‌آوری شده بود، بررسی کردند.
محققان ابتدا منابع مصنوعی نویز را از داده ها حذف کردند. آنها سپس به دنبال نوعی سیگنال پایدار متمرکز در یک محدوده فرکانس بسیار باریکی بودند که انتظار می رود ماده تاریک در دوره های زمانی طولانی تولید کند. سپس نتایج مورد تجزیه و تحلیل آماری قرار گرفت.
همین رویکرد نظری در مورد فوتون های تاریک نیز اعمال شد. برخلاف آکسیون‌ها، فوتون‌های تاریک می‌توانند امواج الکترومغناطیسی را حتی در غیاب میدان مغناطیسی تولید کنند، بنابراین محققان مجموعه داده‌ها را برای نشانه‌های متفاوتی که انتظار می‌رود این ذرات ایجاد کنند، جستجو کردند.
محدودیت های سخت تر و نامزدهای سیگنال مرموز
محققان با استفاده مؤثر از کل زمین به عنوان آشکارساز برای محدوده معینی از توده‌های محور، محدودیت‌های جدیدی را در مورد اینکه آکسیون‌ها چگونه می‌توانند با نور تعامل داشته باشند، تعیین کردند.
این محدودیت ها حدود 100 برابر سخت تر از بهترین نتیجه قبلی از یک آزمایش زمینی بود. آنها همچنین با محدودیت‌های استنباط‌شده از مشاهدات اخترفیزیکی اشعه ایکس که توسط رصدخانه‌هایی مانند چاندرا و NuSTAR استنتاج می‌شوند، رقابت می‌کردند، اگرچه این محدودیت‌های اخترفیزیکی به مفروضات نظری خاصی بستگی دارد.
جست‌وجوی فوتون‌های تاریک نتیجه‌ای به‌ویژه جذاب داشت. محققان چندین نامزد برای سیگنال هایی که به طور بالقوه می توانند منشا ماده تاریک داشته باشند شناسایی کردند. با این حال، منبع این سیگنال ها ناشناخته باقی مانده است و آنها به عنوان شواهدی از ماده تاریک تایید نشده اند.
بنابراین، هویت واقعی ماده تاریک حل نشده باقی می ماند. با این حال، چارچوب نظری جدید می‌تواند راهی قدرتمند برای گسترش جستجوهای آینده و استفاده از محیط طبیعی الکترومغناطیسی زمین به عنوان ابزاری برای بررسی برخی از سبک‌ترین اشکال ممکن ماده تاریک به محققان بدهد.
